cong-nghe-vi-dien-tu.pdf

Tài liệu về công nghệ vi điện tử.

1 BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÔNG NGHỆ VI ĐIÊN TỬ Credits: 2 Prerequisites:- Semiconductor Devices - Microelectronic Circuit Design References 1. HONG H. LEE, Fundamentals of Microelectronics Processing. 3rd Ed., McGraw-Hill; USA; 1990. 2. STEPHEN BROWN and ZVONKO VRANESIC, Fundamentals of Digital Logic with VHDL Design, 3rd Ed., Mc.Graw-Hill, 2000. 3. SUNG-MO KANG and YUSUF LEBLEBICI, CMOS Digital Integrated Circuits Analysis and Design. Mc.Graw-Hill, 2005. 4. DAN CLEIN, CMOS IC Layout, Newnes, 2000. 5. DAVID A. HODGES, HORACE G. JACKSON, RESVE A. SALEH, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits in Deep Submicron Technology, Mc.Graw-Hill, 2003. 2CHƯƠNG 1. CƠ SỞ CƠNG NGHỆ MẠCH TÍCH HỢP §1.1 Cạc mảch têch håüp Cạc mảch têch håüp (IC) l cạc mảch âiãûn tỉí âỉåüc chãú tảo båíi viãûc tảo ra mäüt cạch âäưng thåìi cạc pháưn tỉí riãng l nhỉ transistor, diodes . trãn cng mäüt chip bạn dáùn nh (âiãøn hçnh l Si), cạc pháưn tỉí âỉåüc näúi våïi nhau nhåì cạc váût liãûu kim loải âỉåüc ph trãn bãư màût ca chip. Cạc váût liãûu kim loải âọng vai tr nhỉ cạc “ wireless wires”. tỉåíng ny láưn âáưu tiãn âỉåüc âỉa ra båíi Dummer nàm 1952. Cạc mảch têch håüp âáưu tiãn âỉåüc phạt minh båíi Kilby, 1958. Cạc mảch têch håüp vãư cå bn âỉåüc chia thnh 2 loải chênh: analog (hay linear) v digital (hay logic). Cạc mảch têch håüp tỉång tỉû hồûc khúch âải hồûc âạp ỉïng cạc âiãûn ạp biãún âäøi. Tiãu biãøu l cạc mảch khúch âải, timers, dao âäüng v cạc mảch âiãưu khiãøn âiãûn ạp (voltage regulators). Cạc mảch säú tảo ra hồûc âạp ỉïng cạc tên hiãûu chè cọ hai mỉïc âiãûn ạp. Tiãu biãøu l cạc bäü vi xỉí l, cạc bäü nhåï, v cạc microcomputer. Cạc mảch têch håüp cng cọ thãø âỉåüc phán loải theo cäng nghãû chãú tảo: monolithic hồûc hybrid. Trong khän khäø giạo trçnh ny chụng ta chè ngiãn cỉïu loải thỉï nháút. Quy mä ca sỉû têch håüp ca cạc mảch têch håüp trãn så såí Silicon â tàng lãn ráút nhanh chọng tỉì thãú hãû âáưu tiãn âỉåüc chãú tảo båíi Texas Instruments nàm 1960 våïi tãn gi SSI (Small Scale Integration) âãún thãú hãû måïi ULSI. Hiãûn nay cäng nghãû CMOS våïi minimum device dimension ( khong cạch gate to gate) đạt tới cåỵ vi chủc nm (0.65, 0.45). Khuynh hỉåïng ch âảo trong viãûc gim nh kêch thỉåïc linh kiãûn trong cäng nghãû mảch têch håüp l gim chi phê cho cng mäüt chỉïc nàng, gim tiãu thủ cäng sút v náng cao täúc âäü ca linh kiãûn. Mäüt khuynh hỉåïng khạc l váùn tiãúp tủc sỉí dủng cạc âéa bạn dáùn låïn âãø gim chi phê trãn chip. Våïi c hai khuynh hỉåïng trãn, cäng nghãû xỉí l vi âiãûn tỉí ln phi âỉåüc ci tiãún. Cạc cäng nghãû IC ch úu hiãûn nay l cäng nghãû MOS v cäng nghãû BJT cho silicon v MES cho gallium arsenide. Hçnh 1-1 (256 K DRAM, 1983, AT&T Bell Laboratories) 3 4§1.2 Bạn dáùn v cạc hảt ti Si âån tinh thãø l váût liãûu cå såí cho cäng nghãû IC. Hçnh 1-2a mä t mäüt planar view ca tinh thãø Si våïi cạc âiãûn tỉí ca låïp ngoi cng (låïp v) trong cạc liãn kãút cng họa tri (covalent bond) giỉỵa cạc ngun tỉí lán cáûn. Mäüt cháút bạn dáùn cọ thãø âỉåüc âënh nghéa nhỉ l mäüt váût liãûu có âäü dáùn âiãûn cọ thãø âiãưu khiãøn âỉåüc, trong khong trung gian giỉỵa âiãûn mäi v kim loải. Kh nàng thay âäøi âäü dáùn ca Si trong khong nhiãưu báûc cọ thãø âỉåüc thỉûc hiãûn båíi viãûc âỉa vo mảng tinh thãø Si cạc ngun tỉí tảp cháút họa trë 3 nhỉ Boron hồûc họa trë 5 nhỉ Phosphorus, chụng âỉåüc gi l cạc dopant hồûc l cạc tảp cháút mong mún. Quạ trçnh ny gi l quạ trçnh pha tảp hay doping. Cạc bạn dáùn sảch âỉåüc gi l bạn dáùn thưn hay intrinsic, cạc bạn dáùn pha tảp gi l extrinsic. Nãúu pha tảp nhọm 5 (chàóng hản P) vo Si thç ngoi 4 âiãûn tỉí liãn kãút cng họa trë våïi 4 âiãûn tỉí låïp v ca cạc ngun tỉí Si lán cáûn, âiãûn tỉí thỉï 5 ca ngun tỉí tảp cọ liãn kãút lng lo våïi hảt nhán v cọ thãø chuøn âäüng tỉång âäúi dãù dng trong mảng tinh thãø Si. Dảng bạn dáùn ny âỉåüc gë l bạn dáùn loải-n, v tảp nhọm 5 âỉåüc gi l tảp donor. Nãúu pha tảp nhọm 3 (chàóng hản B) vo Si thç 3 âiãûn tỉí låïp v ca ngun tỉí tảp liãn kãút cng họa trë våïi cạc âiãûn tỉí låïp v ca cạc ngun tỉí Si lán cáûn do âọ cọ thãø coi låïp v ca ngun tỉí tảp cọ 7 âiãûn tỉí, v bë träúng mäüt âiãûn tỉí. Vë trê liãn kãút khuút ny âỉåüc gi l mäüt läù träúng (hole). Mäüt âiãûn tỉí tỉì ngun tỉí Si gáưn âọ cọ thãø “råi” vo chäù träúng ny v läù träúng âỉåüc xem nhỉ chuøn dåìi âãún vë trê måïi. Bạn dáùn loải ny âỉåüc gi l bạn dáùn loải -p, v tảp nhọm 3 âỉåüc gi l tảp acceptor. Cạc âiãûn tỉí v läù träúng khi dëch chuøn s mang theo chụng cạc âiãûn têch ám v dỉång nãn âỉåüc gi l cạc hảt ti. Cạc cháút bạn dáùn cọ thãø åí dảng ngun täú (nhỉ Si, Ge) hồûc håüp pháưn. Säú âiãûn tỉí trung bçnh trãn mäüt ngun tỉí thỉåìng bàòng 4, ngoải trỉì trỉåìng håüp cạc bạn dáùn AV-BVI. Mäüt bạn dáùn thưn thỉåìng l âiãûn mäi trỉì khi nọ âỉåüc kêch thêch nhiãût hồûc quang. Nãúu kêch thêch â mảnh nọ cọ thãø tråí thnh dáùn âiãûn. Cạc mỉïc nàng lỉåüng kh dé ca âiãûn tỉí l råìi rảc v sỉû kêch thêch s lm cho cạc âiãûn tỉí cọ thãø nhy lãn mỉïc nàng lỉåüng cao hån. Vç cháút bạn dáùn cọ thãø l âiãûn mäi hay dáùn âiãûn ty thüc vo mỉïc âäü kêch thêch, nãn cọ thãø coi nọ biãøu hiãûn nhỉ mäüt cháút dáùn âiãûn nãúu nàng lỉåüng kêch thêch vỉåüt quạ mäüt mỉïc ngỉåỵng nháút âënh, gi l energy barrier, k hiãûu Eg (cn âỉåüc gi l khe nàng lỉåüng - energy gap). Khe nàng lỉåüng thay âäøi tỉì 0.18 eV cho InSb tåïi 3.6 eV cho ZnS. Cạc váût dáùn nhỉ kim loải khäng cọ khe nàng lỉåüng nãn cọ thãø dáùn âiãûn khi cọ hồûc khäng cọ kêch thêch. Cạc cháút cạch âiãûn cọ khe nàng lỉåüng låïn âãún mỉïc khäng dáùn âiãûn ngay c khi kêch thêch mảnh. Khi 5khäng cọ kêch thêch táút c cạc âiãûn tỉí ca bạn dáùn chiãúm cạc mỉïc nàng lỉåüng tháúp trong cạc trảng thại họa trë. Màûc d cạc mỉïc nàng lỉåüng l giạn âoản nhỉng vç cọ ráút nhiãưu mỉïc nãn cọ thãø xem táûp håüp cạc trảng thại cng họa trë nhỉ mäüt di hay vng họa trë (valence band). Mỉïc nàng lỉåüng cao nháút ca vng họa trë k hiãûu l Ev. Phêa trãn khe nàng lỉåüng ( cn gi l vng cáúm) l di nàng lỉåüng ca cạc trảng thại dáùn, gi l vng dáùn. Mỉïc nàng lỉåüng tháúp nháút ca vng dáùn k hiãûu l Ec. Hçnh 1-2a mä t cáúu hçnh cạc mỉïc nàng lỉåüng ca mäüt bạn dáùn thưn åí 0oK. Khi bạn dáùn thưn âỉåüc pha tảp donor, cạc âiãûn tỉí donor s chiãúm cạc mỉïc nàng lỉåüng gáưn dỉåïi vng dáùn, våïi mỉïc nàng lỉåüng tháúp nháút trong cạc mỉïc ny âỉåüc gi l mỉïc donor, k hiãûu l Ed (hçnh 1-2b). Khi bạn dáùn thưn âỉåüc pha tảp acceptor, cạc läù träúng s chiãúm cạc mỉïc nàng lỉåüng gáưn trãn âènh vng họa trë, våïi mỉïc nàng lỉåüng cao nháút trong cạc mỉïc ny âỉåüc gi l mỉïc acceptor, k hiãûu l Ea (hçnh 1-2c). Khi bạn dáùn thưn chëu kêch thêch nhiãût, mäüt säú âiãûn tỉí trong vng họa trë bë kêch thêch cọ thãø vỉåüt qua vng cáúm âãø lãn vng dáùn âäưng thåìi tảo ra mäüt säú läù träúng tỉång ỉïng åí vng họa trë, v cạc càûp âiãûn tỉí läù träúng (EHP - electron hole pair) âỉåüc tảo ra. Vç cạc mỉïc donor trong bạn dáùn loải -n ráút gáưn våïi vng dáùn nãn cạc kêch thêch nhẻ cng â âãø lm cho cạc âiãûn tỉí donor nhy lãn vng dáùn, do âọ näưng âäü âiãûn tỉí trong vng dáùn l ráút låïn ngay c åí nhiãût âäü tháúp âäúi våïi viãûc hçnh thnh cạc EHP. Våïi bạn dáùn loải -p, vç cạc mỉïc acceptor ráút gáưn trãn âènh vng họa trë nãn mäüt kêch thêch nhẻ cọ thãø lm cho cạc âiãûn tỉí trong vng họa trë nhy lãn chiãúm cạc mỉïc acceptor v âãø lải cạc läù träúng trong vng họa trë. Do âọ cạc bạn dáùn loải -p cọ thãø cọ näưng âäü läù träúng låïn ngay c åí nhiãût âäü tháúp. Khi mäüt bạn dáùn âỉåüc pha tảp loải-n hồûc loải -p, mäüt trong hai loải hảt ti s chiãúm ỉu thãú vãư näưng âäü v âỉåüc gi l hảt ti cå bn (hay majority carrier), loải hảt ti cn lải âỉåüc gi l hảt ti khäng cå bn (hay minority carrier). §1.3 Cạc quan hãû cå bn v âäü dáùn âiãûn Vç chuøn âäüng ca cạc hảt ti tảo ra sỉû dáùn âiãûn, nãn näưng âäü hảt ti l âải lỉåüng âỉåüc quan tám hng âáưu trong cäng nghãû IC. Våïi bạn dáùn thưn, näưng âäü âiãûn tỉí trong vng dáùn n bàòng näưng âäü läù träúng trong vng họa trë p: n = p = ni (1.1) trong âọ ni gi l näưng âäü hảt ti näüi ca bạn dáùn thưn åí trảng thại cán bàòng (hay trảng thại ténh). Gi thiãút cạc tảp cháút phán bäú âäưng nháút. Âãø tha mn âiãưu kiãûn trung ha âiãûn têch (trung ha ténh âiãûn) trong bạn dáùn thưn, cạc âiãûn têch dỉång phi bàòng cạc âiãûn têch ám. Våïi silicon, cạc tảp cháút hồûc thiãúu hủt hồûc dỉ thỉìa mäüt âiãûn tỉí so våïi Si. Vç váûy: P + ND = n + NA (1.2) trong âọ, ND l näưng âäü cạc ngun tỉí donor v NA l näưng âäü cạc ngun tỉí acceptor . Phỉång trçnh (1.2) cn gi l âiãưu kiãûn trung ha âiãûn têch khäng gian, trong âọ â gi thiãút ràòng táút c cạc âiãûn tỉí donor v cạc läù träúng acceptor âãưu âỉåüc kêch thêch hon ton sao cho cạc mỉïc donor v acceptor âãưu hon ton bë chiãúm båíi cạc âiãûn tỉí. ÅÍ nhiãût âäü phng, gi thiãút ny nọi chung cọ thãø cháúp nháûn âỉåüc trỉì khi pha tảp quạ mảnh (näưng âäü ngun tỉí tảp cháút > 1018 cm-3). Nọi cạch khạc, ND cọ thãø âỉåüc thay thãú båíi ND+ v NA båíi NA-. ÅÍ trảng thại cán bàòng nhiãût: pn = ni2 (1.3) Quan hãû ny âụng cho cạc loải bạn dáùn báút k åí cán bàòng nhiãût. Våïi mäüt bạn dáùn loải -n, näưng âäü âiãûn tỉí nn cọ thãø nháûn âỉåüc khi thay (1.3) vo (1.2): (1.4) ()[]⎭⎬⎫⎩⎨⎧+−+−=2122421iADADnnNNNNn Tỉång tỉû cho bạn dáùn loải -p: (1.5) ()[]⎭⎬⎫⎩⎨⎧+−+−=2122421iDADApnNNNNp 6 Näưng âäü hảt ti näüi ca Si l 4.5 x 1010 cm-3 åí 27o C, ca GaAs l 9 x 106. Âäü låïn ca näưng âäü tảp cháút täøng cng | ND - NA| nọi chung låïn hån ráút nhiãưu so våïi ni. Vç váûy näưng âäü hảt ti cå bn cọ thãø âỉåüc tênh xáúp xè tỉì (1.4) v (1.5): nn ≈ ND - NA (1.6) pp ≈ NA - ND (1.7) Näưng âäü hảt ti khäng cå bn (thiãøu säú) cọ thãø âỉåüc tênh xáúp xè tỉì (1.6) , (1.7) v (1.3): ADinNNnp−≈2 (1.8) DAipNNnn−2≈ (1.9) trong âọ pn v l näưng âäü läù träúng trong bạn dáùn n v np l näưng âäü âiãûn tỉí trong bạn dáùn p. Xạc sút f(E) âãø mäüt trảng thại âiãûn tỉí våïi mỉïc nàng lỉåüng E bë chiãúm båíi mäüt âiãûn tỉí âỉåüc cho båíi hm xạc sút Fermi-Dirac: ()kTEEFeEf/11)(−+= (1.10) våïi T l nhiãût âäü tuût âäúi, k l hàòng säú Boltzmann (8.62 x 10-5 eV/K = 1.38 x 10-23 J/K) v EF âỉåüc gi l mỉïc Fermi. Mỉïc Fermi chênh l thãú họa hc ca âiãûn tỉí trong cháút ràõn, v cọ thãø xem nhỉ mỉïc nàng lỉåüng m tải âọ xạc sút chiãúm trảng thại ca âiãûn tỉí âụng bàòng 1/2. Âäư thë hm phán bäú xạc sút Fermi-Dirac cho cạc nhiãût âäü khạc nhau âỉåüc minh ha åí hçnh (1-3): Hçnh 1-3 phán bäú xạc sút Fermi-Dirac 7 Tỉì hm phán bäú xạc sút Fermi-Dirac, säú kh dé cạc âiãûn tỉí trong bạn dáùn cọ mỉïc nàng lỉåüng xạc âënh cọ thãø âỉåüc tênh tỉì hm máût âäü xạc sút N(E). Nãúu säú trảng thại nàng lỉåüng trãn mäüt âån vë thãø têch (hay máût âäü trảng thại) åí trong khong nàng lỉåüng dE l N(E)dE, thç säú âiãûn tỉí trãn mäüt âån vë thãø têch (hay máût âäü âiãûn tỉí) trong vng dáùn, n, âỉåüc cho båíi: dEENEfncE)()(∫∞= (1.11) Vãư ngun tàõc N(E) cọ thãø âỉåüc tênh tỉì cå hc lỉåüng tỉí v ngun l loải trỉì Pauli. Tuy nhiãn âãø tiãûn låüi cọ thãø biãøu diãùn cạc âiãûn tỉí phán bäú trong vng dáùn båíi máût âäü hiãûu dủng cạc trảng thại Nc âënh xỉï tải båì vng dáùn Ec.Khi âọ näưng âäü âiãûn tỉí trong vng dáùn cọ dảng âån giạn: N = Nc f(Ec) (1.12) Trong âọ Nc âỉåüc cho båíi: 2/3222⎟⎠⎞⎜⎝⎛π=∗hkTmNnc(1.13) ⎩⎨⎧××=−−GaAsfor )300/(107.4for )300/(108.232/31732/319cmTSicmT trong âọ mn* l khäúi lỉåüng hiãûu dủng ca âiãûn tỉí khi tênh âãún nh hỉåíng ca mảng tinh thãø lãn âàûc trỉng ca âiãûn tỉí v h l hàòng säú Plank. Nãúu (Ec - Ef ) låïn hån mäüt vi láưn kT (thỉåìng åí nhiãût âäü phng kT = 0.026eV nãn âiãưu kiãûn ny tha mn), thi phán bäú xạc sút f(Ec) cọ thãø âỉåüc tênh gáưn âụng nhỉ sau: (1.14) ()()kTEEkTEEcfcFceeEf//11)(−−−≈+= 8 Khi âọ (1.12) tråí thnh: (1.15) ( )kTEEcfceNn/−−=Tỉång tỉû: (1.16) ( )kTEEvvfeNp/−−=2/3222⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛π=∗hkTmNpv Våïi ⎩⎨⎧××=−−GaAsfor )300/(107for )300/(1004.132/31832/319cmTSicmT (1.17) mp* l khäúi lỉåüng hiãûu dủng ca läù träúng. Cạc phỉång trçnh (1.15) v (1.16) cọ hiãûu lỉûc cho c bạn dáùn thưn v pha tảp, chè thay EF bàòng EI cho trỉåìng håüp bạn dáùn thưn. Nãúu cạc hảt ti phán bäú âãưu, máût âäü dng âiãûn do sỉû dëch chuøn ca cạc âiãûn tỉí våïi váûn täúc trung bçnh theo mäüt hỉåïng no âọ (chàóng hản hỉåïng x) l: nv (1.18) nnvqnJ = Nãúu cạc hảt ti phán bäú khäng âãưu thç cn cọ thãm thnh pháưn dng khúch tạn: (1.19) dxdnqDvqnJnnn)(−= Trong âọ D l hãû säú khúch tạn ca hảt ti. Säú hảng thỉï nháút âỉåüc gi l dng träi (drift), t lãû våïi cỉåìng âäü âiãûn trỉåìng E do váûn täúc trung bçnh ca cạc hảt ti t lãû våïi cỉåìng âäü âiãûn trỉåìng E våïi hãû säú t lãû µ, âỉåc gi l âäü linh âäüng: [ ]sVEv ./cm ;2µµ=(1.20) Våïi âiãûn tỉí: ,våïi läù träúng: Evnnµ−=Evppµ= 9 Âäü linh âäüng ca hảt ti phủ thüc vo näưng âäü hảt ti v vo nhiãût âäü. Nọi chung âäü linh âäüng ca âiãûn tỉí låïn hån âäü linh âäüng ca läù träúng. Våïi Si, åí nhiãût âäü 20oC, µn = 1900 cm2/(V.s) v µp = 425 cm2/(V.s). Quan hãû (1.20) âụng våïi cỉåìng âäü âiãûn trỉåìng khäng quạ låïn (thỉåìng nh hån 0.2V/cm). Våïi âiãûn trỉåìng låïn hån, âäü linh âäüng tàng cháûm theo cỉåìng âäü âiãûn trỉåìng v tiãún tåïi giạ trë bo ha. Dng âiãûn täøng cäüng do c hai loải hảt ti l: J =Jn + Jp (1.21) Tỉì (1.19) dãù tháúy ràòng âäü dáùn âiãûn: σ = q(nµn + pµp) (1.22) Hãû säú khúch tạn trong (1.19) quan hãû våïi âäü linh âäüng theo hãû thỉïc Einstein (1.23) µqkTD = 10